生物炭用量对拱棚番茄产量和品质的影响

叶晓龙，冯 棣，2，张金磊，王志和，祝海燕，张敬敏，2

（1.潍坊科技学院贾思勰农学院 山东 寿光 262700； 2.山东省高校设施园艺重点试验室 山东 寿光 262700）

设施栽培技术自引入以来，在我国政策鼓励和科学引导下得到了高速发展。我国已是设施园艺产品第一生产国，全国设施栽培总面积已超过370 万hm，占世界设施园艺总面积的80%以上。随着人民生活水平的提高，大众对蔬菜的需求已经不仅仅满足于数量的充足，而是开始追求更加优良的品质。已有研究表明，合理施肥、适度干旱或盐胁迫、合理补光，以及适量施入生物炭等都有利于蔬菜品质的提升。其中，关于生物炭对农业生产领域的影响是当前的研究热点。生物炭（Biochar）是指由畜禽粪便、秸秆、花生壳、稻壳等农林废弃物在缺氧或无氧环境下经过高温裂解（通常低于700 ℃）得到的难溶的固体富碳产物。生物炭不仅具有强吸附能力，可用于修复土壤问题，还含有大量氮、磷、钾、钙、镁等矿质营养元素，可使土壤肥力大幅度提升，可通过多方面改变植物根际生长环境。

在我国设施栽培蔬菜中，番茄的栽培面积居首位，达到81 万hm。有研究表明，施入30 t·hm生物炭可改善樱桃番茄果实营养品质且提高产量。吴伟健等试验发现，施入生物炭可减少番茄对镉元素的积累，显著提高土壤中各种酶活性，通过改良土壤性质，从而提高了番茄的果实品质。郭丽丽通过大棚和盆栽番茄试验结合的方式，表明了生物炭可促进土壤水稳性大团聚体的形成，增加土壤的保水保肥能力，提高土壤酶活性，改善叶片光合特性，从而促进番茄生长，提高番茄产量及品质，并给出了最佳用量为70 t·hm。吴珏等研究发现，施用生物炭可降低土壤容重，提升有机质含量，提高番茄产量及品质，但品质和产量最佳时施入量不同，分别为4、2 t·hm。李欣雨等报道了施加生物炭可有效增加土壤保水性和番茄产量，且在不同的灌水量处理下，生物炭作用的响应结果不同，二者共同影响着番茄产量及其生理特性。

综上所述，在不同的设施环境和土壤条件下，设施番茄适宜的生物炭用量存在较大差异。目前拱棚（冷棚）在全国设施农业中的占比依然很大。由于拱棚生产的番茄生育期恰逢高温发生时段，番茄品质不高，影响了产品价格，因此，探讨拱棚条件下高品质番茄生产的栽培技术具有重要的实践指导价值。为此，笔者以高品质番茄戴安娜为供试材料，探究不同生物炭用量对番茄生长、产量和品质的影响，以期探明拱棚高品质番茄提质生产的生物炭最佳施用量。

1 材料与方法

1.1 材料

试验于2021 年4—8 月在潍坊科技学院西南角拱棚内进行。供试番茄品种为戴安娜（由寿光市旺林农业发展有限公司提供），该品种是从韩国引进的杂交一代番茄新品种，属早熟品种，无限生长类型，糖分等含量是普通番茄的2 倍多。生物炭由平顶山市绿之源活性炭有限公司提供，是以秸秆、木屑和果壳的混合物为原料，通过600 ℃的高温热解，粉碎为50～100 目的粉末。试验土质为壤土，其与生物炭基本化学及养分状况见表1。肥料使用“亲土1 号”（N+PO+KO≥60%，20-20-20+TE）复合肥。

表1 供试土壤及生物炭基本化学及养分状况

1.2 试验设计

试验采用单因素随机区组设计，参考前人试验中生物炭施用量水平和推荐用量，设置5 个生物炭施用量处理，分别为0、0.5、1.0、2.0 和4.0 kg·m，依次标记为CK、T1、T2、T3、T4。每个处理2 次重复，每个小区长3.0 m、宽1.2 m，小区内种植2 行番茄，行距60 cm，株距30 cm，共20 株。采用滴灌的方式进行灌水，番茄苗（4 叶1 心）移栽后铺设滴灌带，每个滴头与番茄苗相对应，相距3 cm。在T1、T3 处理随机选取2 个滴头，在其正下方20 cm 处埋设负压计监测土壤基质势。当土壤基质势低于-35 kPa 时灌水，灌水定额10 mm。每周保证随水施肥1 次，若未到灌水下限，则将肥料随1/3 定额灌溉水施入，复合肥每次施用1.1 g·株。在番茄果实生长至5 穗果后，对全部番茄进行打顶处理。将番茄生育期分为苗期、开花期、坐果期、快速成长期和成熟期，依据各个时期的需要进行除草、杀虫、整枝、吊蔓、田间管理等。

1.3 测定项目与方法

设施内温湿度的测定：采用标智GM1365 温湿度记录仪测定设施内空气温度和湿度，每1 h 记录1 次。

株高及茎粗测定：于8 月15 日在每个处理随机选取5 株番茄，分别采用卷尺和游标卡尺测量株高和茎粗。

干质量的测定：于8 月20 日在每个处理随机选取4 株番茄，采集茎、叶后使用烘箱先在105 ℃杀青30 min，之后在75 ℃下烘干至恒质量，并用分析天平（0.001 g）称量。

产量及其构成的测定：调查所有番茄植株每穗的坐果数，并于采摘期分批次采摘调查单果质量；计算获得单株产量/kg=单果质量×果实个数。番茄产量/（t·hm）=小区植株数×单株产量/小区面积。

果实品质的测定：于成熟期在每个处理植株的第2、第3 穗选取大小和成熟度基本一致的果实10颗，每一颗切取1/4 放入榨汁机内制成待测样品，3次重复。采用紫外-可见分光光度法测定番茄红素含量；采用数显折射计测定可溶性固形物含量；采用蒽酮比色法测定可溶性糖含量；采用酸碱滴定法测定有机酸含量；采用可溶性糖含量与有机酸含量之比计算糖酸比；采用2，6-二氯酚靛酚溶液滴定的方法测定维生素C 含量。

土壤EC 值和pH 值的测定：8 月20 日在每个小区随机采集3 份0～20 cm 深度的土样，风干后分别称取10 g 土和50 mL 去离子水制成混合液，充分搅拌3 min 后采用电导率仪（上海仪电科学仪器股份有限公司的雷磁DDS-307A）和pH 计（雷磁PHS-2F）测量土壤EC 值和pH 值。

1.4 数据分析

采用MS-EXCEL 2019 和SPSS 26 进行数据分析与处理。

2 结果与分析

2.1 试验期间设施内温度、湿度的变化趋势

试验期间大棚内空气温湿度情况如图1 所示。可见，棚内最高气温基本稳定，最低气温和平均气温呈先上升后趋于稳定的趋势，随时间推移昼夜温差减小。棚内相对空气湿度在6 月23 日前波动较大，随后一直处于高稳状态，日均相对空气湿度呈递增趋势。

图1 设施内空气温度（A）、相对空气湿度（B）的变化趋势

2.2 不同生物炭施处理对土壤EC值和pH值的影响

由图2 可以看出，不同生物炭处理0～20 cm 土层土壤EC 值和pH 值差异均不显著，且所有处理的土壤EC 值都处于较低水平，土壤pH 值呈弱碱性。

图2 不同生物炭处理下0～20 cm 土层土壤EC 值（A）和pH 值（B）

2.3 生物炭施用量对番茄生长的影响

由图3 可以看出，随着生物炭施用量的增加，番茄株高整体呈上升趋势，T3、T4 处理均与CK 差异显著，较CK 分别提升7.07%和7.80%。番茄茎粗仅T4 处理显著小于CK，其他处理间差异不显著。番茄叶片干质量随着生物炭施入量的增加而增加，与CK 相比，T1 和T2 无显著增加，而T3 和T4 处理分别提高22.46%和52.99%，差异达到显著水平。与CK 相比，茎干质量仅T4 处理显著增加10.11%，其他处理差异不显著。

图3 不同生物炭用量下番茄的株高（A）、茎粗（B）及叶片干质量（C）和茎干质量（D）

2.4 不同生物炭处理对番茄产量及其构成的影响

由图4 可以看出，随着生物炭施入量的增加，单株果数呈现先增多后减少的趋势；单果质量呈现先减小后增加的趋势；番茄产量呈现出先增加后减少的趋势。但单株果数、单果质量和产量指标在各处理之间差异不显著。

图4 不同生物炭用量下番茄的单株果数（A）、单果质量（B）和产量（C）

2.5 不同生物炭处理对番茄果实品质的影响

由图5 可知，随着土壤中生物炭施入量的增加，番茄果实中的可溶性糖含量呈先增大后减小的趋势，与CK 相比，T1、T2 和T3 处理分别增加7.40%、43.09%和22.83%，而T4 处理减少了0.96%，表明大量生物炭施用并不利于可溶性糖的积累。施加生物炭处理的番茄有机酸含量均高于CK，T1、T2、T3 和T4 处理较CK 分别增加了20.00%、16.00%、12.00%、16.00%，其中T1、T2、T4 处理与CK 差异显著。番茄糖酸比最大的为T2 处理，其后依次为T3＞CK＞T1＞T4。随着生物炭施入量的增加，番茄可溶性固形物、维生素C、番茄红素含量均呈先增加后减少的趋势，均以T2 处理为最大。与CK 相比，T1、T2、T3 和T4 处理番茄可溶性固形物分别增加7.69%、7.69%、6.35%、1.92%；维生素C含量分别增加21.43%、44.64%、12.50%、-25.00%；番茄红素含量分别增加1.46%、64.75%、26.97%、15.29%。可见，当生物炭施入量为1.0 kg·m（T2）时，除有机酸含量以外的品质指标都达到最高值，仅有机酸含量为次高值，且均显著高于CK；当生物炭用量达到4.0 kg·m（T4）时，可溶性糖含量、糖酸比、维生素C 含量均低于CK。

图5 不同生物炭处理下番茄的可溶性糖含量（A）、有机酸含量（B）、糖酸比（C）、可溶性固形物含量（D）、维生素C 含量（E）、番茄红素红素含量（F）

3 讨论与结论

生物炭的pH 大多呈碱性，可与酸性土壤中的H发生缔合反应，从而降低土壤的H浓度。本试验中不同生物炭处理的0～20 cm 土层土壤EC 值和pH 值差异均不显著。这是因为本试验中土壤呈弱碱性，与生物炭的pH 值相差不大，所以生物炭对土壤pH 的影响并不明显。此外，有报道称生物炭有降低土壤含盐量的作用，因为本试验中生物炭含盐量较低（0.36%），随之带入土壤中的量与土壤初始含量相比微乎其微，并且供试土壤本身处于低盐环境（0.04%），不存在盐渍化问题，所以生物炭用量未对土壤EC 值造成显著影响。

本试验结果表明，施用生物炭处理较对照促进了番茄株高的增加，这与张瑞花等的研究结果一致，其原因是生物炭的施用促进了根系生长，有利于吸收水分和养分，进而促进干物质的积累转化。张瑞花等研究发现，施用1 kg·m生物炭会促进茎粗的增加，而本研究结果表明该处理下茎粗并无显著变化。前人试验结果表明过量的施入生物炭不利于茎粗的增加，与本试验4.0 kg·m生物炭处理下茎粗减小的结果基本一致。本试验结果表明，番茄产量在0～4.0 kg·m生物炭处理下无显著变化，这与前人报道的施入生物炭会显著提升作物产量的结论存在差异。这可能是因为生物炭对不同物种产量的增益存在差异。房彬等研究发现，生物炭可显著提升油菜产量，但对玉米产量的提升并不显著。

生物炭的施入对番茄品质有一定的影响，不同品质指标的作用效果也不同。本试验结果表明，适量生物炭的施加可显著提升番茄的营养品质，营养品质基本都遵循随着生物炭施用量的增加，其含量呈现先增加后减少的趋势，与前人试验结果相似。可溶性糖、维生素C、可溶性固形物、番茄红素含量和糖酸比等指标都在生物炭施入量1.0 kg·m时达到最大值，营养品质和口感都达到最佳。适量施入生物炭对植物有着显著的增益效果，但过量施入可能会出现降低品质的现象。本试验中施入量为4.0 kg·m时，可溶性糖含量、糖酸比、维生素C含量较对照都有不同程度的降低。不同的生物炭施入量与不同的作物之间的响应结果不尽相同，且生物炭种类、灌溉水平、施肥种类与方式、土壤性质等因素都与作物品质及产量有较强的相关性。故在作物栽培过程中需要多方面考虑，才能使生物炭的效益发挥出更大价值。

综上所述，在试验生物炭用量范围内，生物炭未对0～20 cm 土层土壤EC 值、pH 值和番茄产量及其构成要素产生显著影响。当生物炭施入量为1.0 kg·m时，番茄可溶性糖含量、糖酸比、可溶性固形物含量、维生素C 含量和番茄红素含量等品质指标都达到最高值，有机酸含量达到次高值，且均显著高于对照。因此，建议在开展拱棚番茄栽培时可施加1.0 kg·m生物炭，以提高品质。